焊接冷裂紋問題一看就秒懂
焊接冷裂紋問題一看就秒懂
小明是某水電施工單位焊接技工，在焊接780和980 MPa水電鋼管時，時常碰到裂紋問題，同樣的材料和工藝條件，時常碰到裂紋。工友們七嘴八舌，“預熱不夠”、“保護氣體不對”、“焊材不對”、但誰也說不清道理，也提不出解決辦法。因此小明不得不去請教，人見人愛，知識淵博，漂過洋留過學的張博士。
小明
終于焊完了，看著漂亮的焊道滿心歡喜啊。但有時，也會在焊后聽到清脆的崩裂聲，檢查后就會發現如下圖所示的裂紋：
小明
這到底是哪門子道理呢？可是困擾了很長時間啦！
預熱不夠@#%$##@$@%$##@$@
保護氣體不對@#%%@$%!$%@$%
焊材不對@#!$%@$#%@$!%@$#%
工友
小明
別嘈嘈啦，都說不清道理，有啥子用伐。
要不去求救張博士！
冷焊機,電火花堆焊修復機,鑄造缺陷修補機,精密補焊機,模具修補機,被覆機,發電電焊機
小明通過網絡與張博士取得了聯系。
小明
張博士好，真心求救，高強度水電厚板焊后發生裂紋，如何避免呢？
你焊的是啥材料？
Dr.張
小明
抗拉強度780MPa以上級別高強鋼。但使用的是倉庫中的普通級別焊材。
應該是冷裂紋。
Dr.張
小明
冷裂紋？
顧名思義，低溫階段發生的裂紋，故為冷裂紋。低溫階段呢，通常指焊接冷卻過程中200-300℃以下區間，甚至是焊后數個小時的冷卻時間段內。
Dr.張
小明
是嗎？今天還是頭一次聽到焊后經過數個小時才會發生的裂紋。不過我碰到的裂紋確實是在低溫階段發生的、通常在焊接數秒或數分鐘內發生的。
焊后經過較長時間才會發生的裂紋，簡稱為延遲性裂紋。焊接高強鋼容易發生延遲性裂紋，且常常發生在熔合線或者熱影響區位置。
Dr.張
碳素鋼、高強鋼、CrMo鋼和馬氏體不銹鋼等在焊接時都會發生冷裂紋。
Dr.張
小明
有判斷依據嗎？之前也聽到很多人在議論這個問題。
現在呢，冷裂紋的形成和產生機理已經基本清楚啦。要不給你詳細說說？
Dr.張
小明
好啊，求之不得，一定好好學。
先看下圖。焊接過程中，電弧中的水（H2O）發生分解、生成氫原子，固溶于焊接熔池或焊縫金屬中。
Dr.張
小明
有水？哪里來的呢？
大氣中就有水，濕度不就是代表水分的嗎？另外，工件、焊材等等也會含有一部分的水。
Dr.張
焊材和工件都干燥的話，僅僅環境濕度大的話，也會產生大量水分。由于環境濕度大，導致在焊接過程中，水分不斷向熔池周邊集聚。
Dr.張
凝固過程完成后，焊縫金屬由于吸入水引入的氫原子要向外擴散，焊后冷卻過程中，焊縫金屬中的一部分氫原子釋放到大氣中，另一部分向熱影響區擴散。
Dr.張
小明
按照擴散定律，氫原子應該從濃度高的地方向濃度低的地方移動吧？
是的。但是問題沒有這樣簡單。教科書中學過，焊后冷卻過程中，由于拘束、應變等等原因常常會在接頭中產生殘余應力。
Dr.張
小明
知道的。好像是說，焊趾部和焊根處應力容易集中。
差不多吧。但不全是那么回事。
Dr.張
看看下面這個示意圖。注意熔合線，該位置在焊接時最高可達1400℃，奧氏體容易粗化；同時，該區域冷卻速度也比其他位置高，導致其淬透性升高。因此啊，淬透性升高導致硬度高、脆性高；由于加熱溫度高，容易形成粗晶組織。
Dr.張
小明
學習啦學習啦，接頭中還區分那么多的微區域。那這與之前講到的擴散氫有關系嗎？
氫原子容易在拉應力集聚處偏聚。焊接時焊縫金屬會從周圍吸收水分，焊后會向周邊擴散氫原子。當某部的氫原子濃度超過一定的極限值發生裂紋時，就稱之為氫脆冷裂紋。
Dr.張
當然，氫脆冷裂紋有兩個因素，一個是濃度，一個是時間。
Dr.張
小明
是嗎？
冷裂紋發生有三個要素：一是氫濃度，二是敏感（脆性）組織，三是拘束應力。特別是，焊根、焊趾位置附近的熱影響區位置，這三個條件容易滿足，因而是冷裂紋容易發生區域。
Dr.張
小明
有些明白了，但氫脆的機理是啥呢？
說實話，學說門派挺多的。要是想深入了解的話，我可推薦部分大牛文獻供參考。這會就不贅述啦。只要記住一句話：金屬中進入了氫，脆性就會增加；如果還有應力作用的話，會使脆性更嚴重。
Dr.張
記住啦，三要素是破解冷裂紋機理的有力武器喲。下圖中，橫坐標是焊后發生冷裂紋的時間，縱坐標是拘束應力，圖中對應的不同氫濃度（含量）條件下發生裂紋的區間。拘束應力越大，發生裂紋的時間越短。
Dr.張
小明
如果氫濃度、拘束應力增加了，是不是冷裂紋發生幾率就會增加。
是的。
Dr.張
還有一點。硬相（脆性）組織，一般是指馬氏體，其硬度或強度由碳含量決定，馬氏體分類也挺復雜。有個簡單的辦法，即熱影響區最高硬度法。如果最高硬度值不超過HV350,一般不會發生冷裂紋，拘束應力和氫含量也就無關重要了。
Dr.張
小明
明白了。冷裂紋由三因素決定。還有一個硬度HV350辦法。
非常好。知道了原理，那防護措施呢？
Dr.張
小明
簡單了哇。盡量把三因素控制在較低的水平咯。
對！降低氫含量的措施：低氫焊材、材料和焊件干燥、使用保護氣體。降低硬度（硬相組織）的措施：選用含有較多低淬透性合金元素的焊件，焊接工藝設計避免快速冷卻；降低拘束應力的措施：道次順序、接頭形狀設計。
Dr.張
小明
辦法真是多啊。
看下面這個視頻：
Dr.張
預熱是不？
Dr.張
小明
是的，焊前對焊接部位進行加熱。
那為啥要預熱？要預熱多少呢？
Dr.張
小明
這個(一︿一+)是不是有經驗值？
這個簡單，對照下圖就可以知道啦。這可是工程實施例統計出來的。
Dr.張
小明
是個好圖，不過有點暈喲，能具體說說嘛？
先計算橫軸的裂紋敏感性指數Pc，Pc由Pcm、厚度t、擴散氫H三部分組成，日本人提出的，主要針對低碳鋼、低合金高強鋼、或TMCP鋼，統計數據來源于碳含量低于0.1%，強度級別在400-1000MPa之間，基本覆蓋了現有主要的結構鋼領域，比如造船、管線、橋梁、建筑、工程機械、壓力容器等等領域。專門用于計算焊接裂紋敏感性的，Pcm= C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
Dr.張
小明
這個跟書本上學習的碳當量公式不一樣啊。記得當時學習的公式是CE=C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5。
不錯不錯，還能記得公式。公式是基于實驗數據統計出來，目前好幾種，但都是有條件的。說到這，滿眼都是淚啊。當年的教科書也不說明白，搞了我等了好多年才知道有這么多的兄弟姐妹。要不容我嘮嘮？
Dr.張
小明
快請快請！
國際焊接協會（IIW）公式(1):
CE(IIW)=C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5。這公式是僅適用于碳含量大于0.18%，強度級別500-900MPa的非調質低合金高強鋼。
Dr.張
日本焊接協會和工業標準協會公式(2): CE(WES)=C+Mn/6+Si/24+Cr/5+Ni/40+Mo/4+V/14。這公式針對低碳調質的500-1000MPa低合金高強鋼。
Dr.張
看出來了吧，上述1和2互為補充。取樣樣本中Si≤0.55%，Mn≤1.5%，Cu≤0.5%，Ni≤2.5%，Cr≤1.25%，Mo≤0.7%，V≤0.1%，B≤0.006%。
Dr.張
日本新日鐵公司提出的公式(3)：CEN=C+f(c){Si/24+Mn/6+Ni/20+(Cr+Mo+Nb+V)/5}，其中f(c)=0.75+0.25tanh{20(C-0.12)}，適用于碳含量0.03-0.25%的鋼種，修補了CE(IIW)不適用于碳含量0.18%以下的場合，當碳含量超過0.18%時，該公式計算值與CE公式計算值相當。該公式是應用較廣、精度較高的碳當量公式。
Dr.張
美國金屬學會更有意思，提出了兩個公式：
公式(4)CE=C+Mn/6+Cr/4+Ni/15+Mo/4+Cu/13，主要用于計算預熱溫度。
公式(5)CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Si+Ni+Cu)/15，用于評定淬火鋼和低合金鋼的焊接性。
Dr.張
美國焊接學會那不干了，也提出了自己的公式(6)：
CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2。適用范圍是C≤0.6%，Mn≤1.6%，Cu 0.5-1.0%，Ni≤3.3%，Cr≤1.0%，Mo≤0.6%，P 0.005-0.15%，
Dr.張
美國海軍也來湊熱鬧，也提出了自己的公式(7)CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，這個主要針對海軍艦船結構鋼。
別小看這個公式啊，在上世紀40-90年代，作為低合金高強鋼的代表HY80、HY90、HY100、HY120、HY130/140都引領了世界高強鋼發展、后來催生了個灰常灰常牛逼的Graville圖。
Dr.張
后來呢，大家都視為神圖，但都忘記了其適用范圍和前提條件。
最最重要的一點，現在鋼鐵冶煉、軋制和涂鍍技術發展很快，已經進入了個性化定制階段，比如3.5-5.5%Ni的低合金耐蝕鋼、13%Cr油井管鋼、超低碳耐候鋼、3-5%Cu析出強化高強鋼、9%Ni低溫鋼、5-9%Mn汽車鋼，以及3%Si-3%Al輕鋼等。上述公式都不適用于這些鋼種的焊接性評價，需要靈活運用。
更典型的，上述公式同樣不適用于非常成熟的火力發電站用鋼P91/T91。
Dr.張
但有兩點切記要記清楚：1)碳當量是用于評估延遲奧氏體向鐵素體轉變的指數，每個公式都有其適用范圍；2)只有Pcm是專門的冷裂紋敏感性指數。切記切記啊。
Dr.張
小明
啊？長見識了，原來碳當量公式是要根據具體條件選擇的。
再回到Pc公式的最后兩項，t代表焊接試板厚度，t/600是拘束應力的估算值。H代表氫含量。
Dr.張
小明
板厚為啥能夠代表拘束應力？
與薄板相比，厚板焊接拘束應力要大的多。因此呢，橫軸包括了硬度+拘束度+氫含量。
Dr.張
小明
這下明白了，只要計算Pc，然后對比上圖，就可知預熱溫度了。
沒錯。
Dr.張
小明
比如，當Pc=0.35時，最小預熱溫度就是100℃，對吧？
完全正確。可用一個公式簡單計算出所需的最小預熱溫度：1440×Pc-392。這個公式用起來更便捷。
Dr.張
小明
那太好了，用手機都可以計算了。
小明
對了，差點忘了，那預熱降低冷裂紋的機理呢？
預熱的話，會降低焊后冷卻速度，尤其是焊后熱循環過程中800-500℃的冷卻速度，這個區間也是硬相組織生成與否，以及多少的區間。降低冷卻速度，會降低硬相組織比例，降低硬度，因此會降低冷裂紋敏感性。
Dr.張
小明
這樣啊。相當于降低了焊接熱影響區的硬度值。
降低冷速的另一個效果是，使得氫原子從焊縫金屬向四周的擴散更加充分，有利于降低氫含量。
Dr.張
小明
預熱不簡單啊。雙重功效，一箭雙雕。
還有啊。焊后加熱（熱處理）也會有利于氫擴散。至于到底是用預熱、后熱處理，還是兩者兼用，需要依據性能要求、成本、施工現場條件等綜合得出。
Dr.張
小明
明白。還有個事啊。有沒有試驗方法來確定預熱溫度呢？
有的，國標GB/T 4675.1“斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法”，原理很簡單，同時試驗很多的預熱溫度，直到沒有發現裂紋為止，那個就是所需的最低預熱溫度。聽起來就是笨笨的。
Dr.張
這還不是重點，重點是那個試驗程序太繁瑣、簡直要人命。多虧了這幾屆人民的勞動創造，提出了簡單有效的替代方案，效果也好很多。
還有啊還有啊，標準一直不更新，所以上面都懶的標注年份了，否則會讓人家笑話我還拿30年前的老東西忽悠人。
Dr.張
小明
那新的試驗程序如何呢？
這個嗎，私聊私聊，畢竟不是我朝的正規條文啊，不得聲張喲。
Dr.張
隨著鋼鐵冶煉、TMCP先進軋制技術發展，抗拉強度490MPa及以下級別低合金高強鋼焊接一般不需要預熱、后熱等處理。但當強度級別超過610MPa時，一般需要預熱處理。
Dr.張
小明
能舉幾個不銹鋼的例子嗎？
奧氏體不銹鋼呢，這個簡單，容易，不說啦。馬氏體不銹鋼（12-16Cr）通常需要預熱到200-300℃，并且需要700℃的焊后熱處理以避免脆性。鐵素體不銹鋼（16-30Cr）通常需要預熱到50-250℃。雙相不銹鋼（22Cr-9Ni）呢，問題轉移啊，是熱裂紋啦。
Dr.張
小明
對啦對啦，以上講的都是冷裂紋，那熱裂紋是啥，是在高溫階段發生的嗎？那機理是啥？有啥防護措施嗎？
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